Исторические аспекты темы "Термодинамика"

Історичні аспекти в класичній термодинаміці

Поняття часу в класичній термодинаміці.

Відкриті системи й нова термодинаміка.

Відкриті системи й нерівновага термодинаміки.

Самоорганізація у відкритих системах Найбільш різке протиріччя в 19 столітті виникло між колишньою фізикою й еволюційною теорією Дарвіна. Якщо, наприклад, у механіку всі процеси представляються оборотними, позбавленими своєї історії й розвитку, то теорія Дарвіна переконливо довела, що нові види рослин і тварин виникають у ході еволюції в результаті боротьби за існування. У цій боротьбі виживають ті організми, які виявляються краще пристосованими до умов, що змінилися, навколишнього середовища. Отже, у живій природі всі процеси є необоротними. Те ж саме можна сказати в принципі й про соціально-економічні, культурно-історичні й гуманітарні системи, хоча еволюція в природі відбувається значно повільніше, ніж у суспільстві. Фізика наближалася до дозволу зазначеного вище протиріччя через перегляд і створення ряду проміжних концепцій, однієї з яких є ідея про еволюцію систем, але не убік посилення їхньої організації й складності, а навпроти, - убік дезорганізації й руйнування систем. Поняття часу в класичній термодинаміці До виникнення термодинаміки поняття часу по суті було відсутнє в класичній фізиці в тім виді, у якому воно розглядається в реальному житті й у науках, що вивчає процеси, що протікають у часі й має свою історію. Хоча в якості змінної час входить в усі рівняння класичної й квантової механіки, проте воно не відбиває внутрішні зміни, які відбуваються в системі. Саме тому в рівняннях фізики його знак можна міняти на зворотний, тобто відносити його як майбутньому, так і до минулого. Положення істотно змінилося після того, як фізика впритул зайнялася вивченням теплових процесів, закони яких були сформульовані в класичній термодинаміці. Якщо колишня динаміка описувала закони руху тіл під впливом зовнішніх сил, свідомо відволікаючись від внутрішніх змін, що відбуваються в механічних системах, то термодинаміка змушена була досліджувати фізичні процеси при різних перетвореннях теплової енергії. Однак вона не аналізує внутрішню будову термодинамічних систем, як це робить статистична фізика, що розглядає теплоту як безладний рух величезного числа молекул. Термодинаміка виникла з узагальнення численних фактів, що описують явища передачі, поширення й перетворення тепла. Самим очевидним є той факт, що поширення тепла являє собою необоротний процес. Добре відомо, наприклад, що тепло, що виникло в результаті тертя або виконання іншої механічної роботи, не можна знову перетворити в енергію й потім використовувати для виробництва роботи. Не менш відомо, що тепло передається від гарячого тіла до холодного, а не навпаки. З іншого боку, шляхом точних експериментів було доведено, що теплова енергія перетворюється в механічну енергію в строго певних кількостях. Існування такого механічного еквівалента для теплоти свідчило про її збереження. Всі ці численні факти й знайшли своє узагальнення й теоретичне пояснення в законах класичної термодинаміки: Якщо до системи підводить тепло Q і над нею виробляється робота W, то енергія системи зростає до величини U: U= Q + W. Цю енергію називають внутрішньою енергією системи, і вона показує, що тепло, отримане системою, не зникає, а затрачається на збільшення внутрішньої енергії й виробництво роботи, тобто Q= U-W. Процес, єдиним результатом якого було б вилучення тепла з резервуара, неможливий. Наведені формулювання відбивають зв'язку, які існують між тепловою енергією й отриманої за її рахунок роботою. У першому законі мова йде про збереження енергії, у другому - про неможливість виробництва роботи винятково за рахунок вилучення тепла з одного резервуара при постійній температурі. Наприклад, не можна зробити роботу за рахунок охолодження озера, моря або іншого резервуара при сталій температурі. Таким чином, другий закон, або початок термодинаміки, можна сформулювати простіше, як уперше це зробив французький учений Сади Карно (1796-1832). Неможливо здійснити процес, єдиним результатом якого було б перетворення тепла в роботу при постійній температурі. Іноді цей закон виражають у ще більш простій формі: Тепло не може перетекти мимовільно від холодного тіла до гарячого. Надалі німецький фізик Рудольф Клаузиус (1822-1888) використовував для формулювання другого закону термодинаміки поняття ентропії, що згодом австрійський фізик Людвіг Больцман (18441906) інтерпретував у термінах зміни порядку в системі. Коли ентропія системи зростає, то відповідно підсилюється безладдя в системі. У такому випадку другий закон термодинаміки постулює: Ентропія замкнутої системи, тобто системи, що не обмінюється з оточенням ні енергією ні речовиною, постійно зростає. А це означає, що такі системи еволюціонують убік збільшення в них безладдя, хаосу й дезорганізації, поки не досягнуть крапки термодинамічної рівноваги, у якій усяке виробництво роботи стає неможливим. Оскільки про зміну систем у класичній термодинаміці ми можемо судити по збільшенню їхньої ентропії, те остання й виступає як своєрідна стріла часу. У механічних процесах ні про який реальний час говорити не доводиться. Задавши в них початковий стан (координати й імпульси), можна, відповідно до рівнянь руху, однозначно визначити будь-який інший її стан у майбутньому або минулому. Тому час у них виступає просто як параметр, знак якого можна міняти на зворотний, і в такий спосіб повернутися до первісного стану системи. Нічого подібного не зустрічається в термодинамічних процесах, які є необоротними по своїй природі. Термодинаміка вперше ввела у фізику поняття часу в досить своєрідній формі, а саме необоротного процесу зростання ентропії в системі. Чим вище ентропія системи, тим більший часовий проміжок пройшла система у своїй еволюції. Очевидно, що таке поняття про час і особливо про еволюцію системи докорінно відрізняється від поняття еволюції, що лежало в основі теорії Дарвіна. У той час як у дарвінівській теорії походження нових видів рослин і тварин шляхом природного добору еволюція спрямована на виживання більше зроблених організмів і ускладнення їхньої організації, у термодинаміку еволюція зв'язувалася з дезорганізацією систем. Це протиріччя залишалося недозволеним аж до 60-х рр. нашого століття, поки не з'явилася нова, нерівновага термодинаміка, що опирається на концепцію необоротних процесів. Класична термодинаміка виявилася нездатної вирішити й космологічні проблеми характеру процесів, що відбуваються у Всесвіті. Першу спробу поширити закони термодинаміки на Всесвіт почав один із засновників цієї теорії - Р. Клаузиус, що висунув два постулати: енергія Всесвіту завжди постійна; ентропія Всесвіту завжди зростає. Якщо прийняти другий постулат, то необхідно визнати, що всі процеси у Всесвіті спрямовані убік досягнення стану термодинамічної рівноваги, що відповідає максимуму ентропії, а отже, стану, характерного найбільшим ступенем хаосу, безладдя й дезорганізації. У такому випадку у Всесвіті наступить теплова смерть і ніяка корисна робота в ній зробити буде не можна. Такі похмурі прогнози зустріли критикові з боку ряду видатних учених і філософів, але в середині минулого століття було ще мало наукових аргументів для спростування думки Р. Клаузиуса й обґрунтування альтернативного погляду. Деякі автори припускали, що поряд з ентропийними процесами в природі відбуваються антіентропийні процеси, які перешкоджають настанню "теплової смерті" у Всесвіті. Інші висловлювали сумнів у правомірності поширення понять термодинаміки, зокрема ентропії, з окремих систем на Всесвіт у цілому. Але тільки одиниці догадувалися, що саме поняття закритої, або ізольованої, системи є далеко, що йде абстракцією, що не відбиває реальний характер систем, які зустрічаються в природі. Відкриті системи й нова термодинаміка На відміну від закритих, або ізольованих, відкриті системи обмінюються з навколишнім середовищем енергією, речовиною й інформацією. Всі реальні системи є саме відкритими. У неорганічній природі вони обмінюються із зовнішнім середовищем, що також складається з різних систем, що володіють енергією й речовиною. У соціальних і гуманітарних системах до цього додається обмін інформацією. Інформаційний обмін здійснюється також у біологічних системах, зокрема при передачі генетичної інформації. У відкритих системах також виробляється ентропія, оскільки в них відбуваються необоротні процеси, але ентропія в цих системах не накопичується, як у закритих системах, а виводиться в навколишнє середовище. Оскільки ентропія характеризує ступінь безладдя в системі, остільки можна сказати, що відкриті системи живуть за рахунок запозичення порядку із зовнішнього середовища. Як же пояснює сучасна наука, і зокрема, сінергетика процес самоорганізації систем? 1. Для цього система повинна бути відкритої, тому що закрита, ізольована система у відповідності із другим законом термодинаміки в остаточному підсумку повинна прийти в стан, характеризуємо максимальним безладдям або дезорганізацією. 2. Відкрита система повинна перебувати досить далеко від крапки термодинамічної рівноваги. Якщо система перебуває в крапці рівноваги, то вона має максимальну ентропію й тому нездатне до якої-небудь організації: у цьому положенні досягається максимум її самодезорганізації. Якщо ж система розташована поблизу або недалеко від крапки рівноваги, то згодом вона наблизиться до неї й зрештою прийде в стан повної дезорганізації. 3. Якщо принципом, що впорядковує, для ізольованих систем є еволюція убік збільшення їхньої ентропії або посилення їхнього безладдя (принцип Больцмана), то фундаментальним принципом самоорганізації служить, навпроти, виникнення й посилення порядку через флуктуації. Такі флуктуації, або випадкові відхилення системи від деякого середнього положення, на самому початку придушуються й ліквідуються системою. Однак у відкритих системах завдяки посиленню неравноважності ці відхилення згодом зростають і зрештою приводять до "розхитування" колишнього порядку й виникненню нового порядку. Цей процес звичайно характеризують як принцип утворення порядку через флуктуації. Оскільки флуктуації носять випадковий характер (а саме: з них починається виникнення нового порядку й структури), те стає ясним, що поява нового у світі завжди пов'язане з дією випадкових факторів. У цьому висновку знаходить своє конкретне підтвердження геніальний здогад античних філософів Епікура (341-270 до н. е.) і Лукреція Кара (99-45 до н. е.), що вимагала допущення випадковості для пояснення появи нового в розвитку миру. 4. На відміну від принципу негативного зворотного зв'язку, на якому ґрунтується керування й збереження динамічної рівноваги систем, виникнення самоорганізації опирається на діаметрально протилежний принцип - позитивний зворотний зв'язок. Функціонування різних технічних регуляторів і автоматів ґрунтується на принципі негативного зв'язку, тобто одержанні зворотних сигналів від виконавчих органів щодо положення системи й наступного коректування цього положення керуючими пристроями. Для розуміння самоорганізації варто звернутися до принципу позитивного зворотного зв'язку, відповідно до якого зміни, що з'являються в системі, не усуваються, а навпроти, накопичуються й підсилюються, що й приводить зрештою до виникнення нового порядку й структури. 5. Процеси самоорганізації, як і переходи від одних структур до інших, супроводжуються порушенням симетрії. Процеси самоорганізації, пов'язані з необоротними змінами, приводять до руйнування старих і виникненню нових структур. 6. Самоорганізація може початися лише в системах, що володіють достатньою кількістю взаємодіючих між собою елементів і, отже, що має деякі критичні розміри. У противному випадку ефекти від сінергетичної взаємодії будуть недостатні для появи кооперативного (колективного) поводження елементів системи й тим самим виникнення самоорганізації. Ми перелічили необхідні, але далеко не всі умови для виникнення самоорганізації в різних системах природи. Навіть у хімічних системах, що самоорганізуються, які вивчали Белоусов і Жаботинський, в "гру" вступають такі нові фактори, як процеси каталізу, які прискорюють хімічні реакції. Тому можна зробити висновок, що чим вище ми піднімаємося по еволюційним сходам розвитку систем, тим більш складними і численними виявляються фактори, які відіграють роль у самоорганізації.

Остання зміна: четвер 21 грудень 2017 9:45